This dissertation investigates four methods for attacking stream ciphers that are based on nonlinear combining generators: -- Two exhaustive-search correlation attacks, based on the binary derivative and the Lempel-Ziv complexity measure. -- A fast-correlation attack utilizing the Viterbi algorithm -- A decimation attack, that can be combined with any of the above three attacks. These are ciphertext-only attacks that exploit the correlation that occurs between the ciphertext and an internal linear feedback shift-register (LFSR) of a stream cipher. This leads to a so-called divide and conquer attack that is able to reconstruct the secret initial states of all the internal LFSRs within the stream cipher. The binary derivative attack and the Lempel-Ziv attack apply an exhaustive search to find the secret key that is used to initialize the LFSRs. The binary derivative and the Lempel-Ziv complexity measures are used to discriminate between correct and incorrect solutions, in order to identify the secret key. Both attacks are ideal for implementation on parallel processors. Experimental results show that the Lempel-Ziv correlation attack gives successful results for correlation levels of p = 0.482, requiring approximately 62000 ciphertext bits. And the binary derivative attack is successful for correlation levels of p = 0.47, using approximately 24500 ciphertext bits. The fast-correlation attack, utilizing the Viterbi algorithm, applies principles from convolutional coding theory, to identify an embedded low-rate convolutional code in the pn-sequence that is generated by an internal LFSR. The embedded convolutional code can then be decoded with a low complexity Viterbi algorithm. The algorithm operates in two phases: In the first phase a set of suitable parity check equations is found, based on the feedback taps of the LFSR, which has to be done once only once for a targeted system. In the second phase these parity check equations are utilized in a Viterbi decoding algorithm to recover the transmitted pn-sequence, thereby obtaining the secret initial state of the LFSR. Simulation results for a 19-bit LFSR show that this attack can recover the secret key for correlation levels of p = 0.485, requiring an average of only 153,448 ciphertext bits. All three attacks investigated in this dissertation are capable of attacking LFSRs with a length of approximately 40 bits. However, these attacks can be extended to attack much longer LFSRs by making use of a decimation attack. The decimation attack is able to reduce (decimate) the size of a targeted LFSR, and can be combined with any of the three above correlation attacks, to attack LFSRs with a length much longer than 40 bits. / Dissertation (MEng (Electronic Engineering))--University of Pretoria, 2007. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted

Dans cette thèse, nous étudions la sécurité de primitives cryptographiques. Ces systèmes sont fondés sur des transformations utilisant des objets mathématiques représentés de multiples manières. Nous utilisons alors certaines structures inhérentes à leurs composantes, et jusqu'alors non prises en compte, pour mettre en évidence de nouvelles vulnérabilités. Par l'exploitation de diverses représentations, nous avons ainsi cryptanalysé des chiffrements authentifiés de la compétition CAESAR, des chiffrements à flot spécifiques et des constructions génériques. Nous avons donné des critères de conception en vue de la standardisation par le NIST de chiffrements à bas coût. Dans le cas des chiffrements à flot, nous avons défini de nouveaux critères cryptographiques plus pertinents que les critères usuels. Plus précisément, nous analysons la sécurité des chiffrements par bloc légers au regard des récentes attaques par invariant, et nous montrons comment les éviter par un choix approprié de la couche linéaire de diffusion et des constantes de tour. Nous proposons une nouvelle cryptanalyse des registres filtrés, grâce à la décomposition des éléments dans les sous-groupes multiplicatifs du corps fini à 2^n éléments. L'analyse du chiffrement FLIP, mais aussi du générateur pseudo-aléatoire de Goldreich a mis en évidence des faiblesses exploitables dans des attaques de type ``supposer et déterminer'', qui nécessitent la prise en compte de nouveaux critères sur les fonctions booléennes utilisées dans ce contexte. Enfin, nous cryptanalysons une version simplifiée du chiffrement authentifié Ketje en utilisant plusieurs techniques, permettant ainsi d'affiner l'évaluation de sa sécurité. / In this thesis, we study the security of symmetric cryptographic primitives. These systems are based on transformations relying on mathematical objects that can be represented in multiple ways. We then exploit different induced structures to highlight new vulnerabilities. By exploiting various representations, we cryptanalyzed some schemes submitted to the CAESAR competition, and also some dedicated and generic stream ciphers. We exhibited design criteria for lightweight block ciphers in view of the NIST standardization process and in the case of stream ciphers we defined new cryptographic criteria more relevant than the usual ones. More precisely, we study the security of lightweight block ciphers with respect to the recent invariant attacks, and we show how to avoid them with an appropriate choice of the linear layer and the round constants. We propose a new cryptanalysis of the filtered registers, by decomposing elements in the multiplicative subgroups of the finite field with 2^n elements. The analysis of the FLIP cipher, but also of the Goldreich pseudo-random generator, revealed weaknesses that are exploitable in ``guess and determine'' attacks. This leads to new criteria on the Boolean functions used in this context. Finally, we cryptanalyze a weaker version of the authenticated encryption scheme Ketje using several techniques, in order to refine the security evaluation of this cipher.

Un nombre important et en constante augmentation de systèmes numériques nous entoure. Tablettes, smartphones et objets connectés ne sont que quelques exemples apparents de ces technologies omniprésentes, dont la majeure partie est enfouie, invisible à l'utilisateur. Les microprocesseurs, au cœur de ces systèmes, sont soumis à de fortes contraintes en ressources, sûreté de fonctionnement et se doivent, plus que jamais, de proposer une sécurité renforcée. La tâche est d'autant plus complexe qu'un tel système, par sa proximité avec l'utilisateur, offre une large surface d'attaque.Cette thèse, se concentre sur une propriété essentielle attendue pour un tel système, la confidentialité, le maintien du secret du programme et des données qu'il manipule. En effet, l'analyse du programme, des instructions qui le compose, est une étape essentielle dans la conception d'une attaque. D'autre part, un programme est amené à manipuler des données sensibles (clés cryptographiques, mots de passes, ...), qui doivent rester secrètes pour ne pas compromettre la sécurité du système.Cette thèse, se concentre sur une propriété essentielle attendue pour un tel système, la confidentialité, le maintien du secret du programme et des données qu'il manipule. Une première contribution de ces travaux est une méthode de chiffrement d'un code, basée sur le graphe de flot de contrôle, rendant possible l'utilisation d'algorithmes de chiffrement par flots, légers et efficaces. Protéger les accès mémoires aux données d'un programme s'avère plus complexe. Dans cette optique, nous proposons l'utilisation d'un chiffrement homomorphe pour chiffrer les données stockées en mémoire et les maintenir sous forme chiffrée lors de l'exécution des instructions. Enfin, nous présenterons l'intégration de ces propositions dans une architecture de processeur et les résultats d'évaluation sur logique programmable (FPGA) avec plusieurs programmes d'exemples. / Embedded processors are today ubiquitous, dozen of them compose and orchestrate every technology surrounding us, from tablets to smartphones and a large amount of invisible ones. At the core of these systems, processors gather data, process them and interact with the outside world. As such, they are excepted to meet very strict safety and security requirements. From a security perspective, the task is even more difficult considering the user has a physical access to the device, allowing a wide range of specifically tailored attacks.Confidentiality, in terms of both software code and data is one of the fundamental properties expected for such systems. The first contribution of this work is a software encryption method based on the control flow graph of the program. This enables the use of stream ciphers to provide lightweight and efficient encryption, suitable for constrained processors. The second contribution is a data encryption mechanism based on homomorphic encryption. With this scheme, sensible data remain encrypted not only in memory, but also during computations. Then, the integration and evaluation of these solutions on Field Programmable Gate Array (FPGA) with some example programs will be discussed.

In this thesis there is description of cryptographic algorithms. Their properties are being compared, weak and strong points and right usage of particular algorithms. The main topics are safeness of algorithms, their bugs and improvements and difficulty of breaching. As a complement to ciphers there are also hash functions taken in consideration. There are also showed the most common methods of cryptanalysis. As a practical application of described algorithms I analyze systems for secure data transfer SSH and SSL/TLS and demonstrate an attack on SSL connection. In conclusion there is recommendation of safe algorithms for further usage and safe parameters of SSH and SSL/TLS connections.

Nous présentons dans le cadre de cette thèse une construction effective de chiffreurs par flot auto-synchronisants centrée autour de la classe particulière des systèmes dynamiques Linear Parameter Varying (LPV). Il s'agit de systèmes dont la représentation d'état admet une écriture affine par rapport à l'état et l'entrée mais dont les matrices de la représentation dépendent de paramètres variants dans le temps. Cette dépendance peut se traduire par des fonctions non linéaires de la variable de sortie. La dynamique résultante est donc non linéaire. Nous montrons que la propriété d'auto-synchronisation est liée à une propriété structurelle du système dynamique à savoir la platitude. La platitude est une propriété algébrique qui permet d'exprimer lorsque cela est possible les paramètres d'entrée et sortie d'un système dynamique en fonction de sa sortie qui est appelée dans ce cas une sortie plate. Une caractérisation de la platitude est exprimée en termes des matrices d'état du système dynamique. Une caractérisation complémentaire est proposée en termes de propriétés d'un graphe d'adjacence associé. L'utilisation conjointe de la caractérisation algébrique et graphique donne lieu à une construction systématique d'une nouvelle classe de chiffreurs auto-synchonisants. Dans la deuxième partie de la thèse, nous nous intéressons à la sécurité de chiffreurs auto-synchronisants. Nous proposons dans un premier temps une approche spectrale pour réaliser une attaque par canaux cachés. Cette approche offre une complexité réduite par rapport aux approches classiques utilisées pour les attaques par canaux cachés. Nous donnons ensuite une preuve de sécurité de la forme canonique d'un chiffreur auto-synchronisant basée sur la notion d'indistinguabilité. Une condition nécessaire et suffisante pour caractériser l'indistinguabilité des chiffreurs auto-synchronisants est proposée. Finalement, nous avons établi des résultats sur les propriétés de fonctions vectorielles booléennes qui permettent de caractériser d'une façon générale les chiffreurs auto-synchronisants / In this thesis, we present an effective construction of self-synchronizing stream ciphers based on the class of Linear Parameter-Varying (LPV) dynamical systems. For such systems, the state-space representation admits an affine expression regarding the input and the state but the state matrices depend on time varying parameters. This dependence can be expressed using nonlinear functions of the output variable. Hence, the resulting dynamics of the system are nonlinear. We show that the self-synchronization property is related to a structural property of the dynamical system known as flatness. Flatness is an algebraic property that allows, when possible, the expression of the input and state parameters of a dynamical system as functions of its outputs which is then called flat output. A characterization of the flatness is expressed in terms of state matrices of the dynamical matrix. A complementary characterization is given in terms of properties of the related adjacency graph. The combination of the algebraic and graph theory characterization gives a systematic construction of a new class of self-synchronizing stream ciphers. In the second part of the thesis, we tackle security aspects of self-synchronizing stream ciphers. We propose a spectral approach to performing side channel attacks. This approach offers reduced complexity when compared with standard approaches used for side channel attacks. We also give a security proof, based on the notion of indistinguishability, for the canonical form of self-synchronizing stream ciphers. A neccessary and sufficient condition is proposed in order to characterize the indistinguishability. Finally, we establish some results on vectorial boolean functions and properties they can be achieved when trying to design Self-Synchronizing Stream Ciphers

This diploma’s thesis discourses the cryptographic systems and ciphers, whose function, usage and practical implementation are analysed. In the first chapter basic cryptographic terms, symmetric and asymetric cryptographic algorithms and are mentioned. Also usage and reliability are analysed. Following chapters mention substitution, transposition, block and stream ciphers, which are elementary for most cryptographic algorithms. There are also mentioned the modes, which the ciphers work in. In the fourth chapter are described the principles of some chosen cryptographic algorithms. The objective is to make clear the essence of the algorithms’ behavior. When describing some more difficult algorithms the block scheme is added. At the end of each algorithm’s description the example of practical usage is written. The chapter no. five discusses the hardware implementation. Hardware and software implementation is compared from the practical point of view. Several design instruments are described and different hardware design programming languages with their progress, advantages and disadvantages are mentioned. Chapter six discourses the hardware implementation design of chosen ciphers. Concretely the design of stream cipher with pseudo-random sequence generator is designed in VHDL and also in Matlab. As the second design was chosen the block cipher GOST, which was designed in VHDL too. Both designs were tested and verified and then the results were summarized.